Arnau Escobet Boixader
Projecte Final de Carrera
Enginyeria Tècnica Industrial – Mecànica
Índex de continguts
1 INTRODUCCIÓ...5
1.1 JUSTIFICACIÓ...5
1.2 DEFINICIÓ...5
2 OBTENCIÓ D'ENERGIA TÈRMICA...7
2.1 NECESSITATS D'ENERGIA TÈRMICA...7
2.1.1 ACS (Aigua Calenta Sanitària)...7
2.1.2 CALEFACCIÓ...8
2.1.3 PISCINES...9
2.1.4 REFRIGERACIÓ ...10
2.2 PANELLS SOLARS TÈRMICS...12
2.2.1 RESUM DE CARACTERÍSTIQUES TÈCNIQUES...13
2.2.2 INSTAL·LACIÓ NECESSÀRIA...17
2.2.2.1 COL·LECTORS ... 18 2.2.2.2 DISSIPADORS DE CALOR...20 2.2.2.3 SISTEMA HIDRÀULIC ...20 ACOMULADOR... 20 INTERCANVIADOR... 21 VAS D'EXPANSIÓ... 212.2.3 REQUERIMENTS DE LA SITUACIÓ...22
2.2.3.1 NIVELL DE RADIACIÓ SOLAR...22
DADES DEL CTM... 23 DADES DE L'ICAE... 24 DADES ESTUDI... 26 2.2.3.2 ALTRES REQUERIMENTS...26 FACTOR OMBRA... 26 PÈRDUES... 26
TEMPERATURA MITJANA DE L'AIGUA DE LA XARXA...27
2.2.4 COST/POTÈNCIA...28
2.2.4.1 ACS (Aigua Calenta Sanitària)...29
2.2.4.2 CALEFACCIÓ... 30
2.2.4.3 ESCALFAMENT DE PISCINES...31
2.2.4.4 REFRIGERACIÓ... 32
2.2.4.5 COL·LECTORS... 32
COL·LECTORS PLANS... 32
COL·LECTORS TUB DE BUIT HEAT PIPE...33
COL·LECTORS PER PISCINA...33
2.2.5 IMPACTE AMBIENTAL...34
2.3 GEOTÈRMICA...36
2.3.1 RESUM DE CARACTERÍSTIQUES TÈCNIQUES...37
2.3.2 INSTAL·LACIÓ NECESSÀRIA...40
CAPTADOR VERTICAL...41
CAPTADOR HORITZONTAL...42
INTERCANVI DE CALOR AMB AIGÜES SUPERFICIALS...42
2.3.2.2 BOMBA DE CALOR... 43
2.3.2.3 DIPÒSIT ACUMULADOR D'INÈRCIA...43
2.3.3 REQUERIMENTS DE LA SITUACIÓ...43
2.3.3.1 TEMPERATURA DEL TERRENY...44
2.3.3.2 TIPUS DE TERRENY...44
2.3.4 COST/POTÈNCIA...45
2.3.4.1 CAPTADOR... 46 HORITZONTAL... 46 VERTICAL... 46 BOMBA DE CALOR ... 472.3.5 IMPACTE AMBIENTAL...47
2.4 BIOMASSA...49
2.4.1 RESUM DE CARACTERÍSTIQUES TÈCNIQUES...50
2.4.2 INSTAL·LACIÓ NECESSÀRIA...53
2.4.2.1 ESTUFES... 53 ESTUFES D'AIRE... 53 ESTUFES MIXTES... 54 ESTUFES D'AIGUA... 54 2.4.2.2 CALDERES... 54 2.4.2.3 EMMAGATZEMATGE...552.4.3 REQUERIMENTS DE LA SITUACIÓ...58
2.4.3.1 CLASSIFICACIÓ DE LA BIOMASSA COMERCIALITZADA...59
PELETS DE BIOMASSA...60 ESTELLA... 61 RESIDUS AGROINDUSTRIALS...62 LLENYA O BRIQUETAS...63
2.4.4 COST POTÈNCIA...64
2.4.4.1 GENERADORS... 64 2.4.4.2 COMBUSTIBLES... 662.4.5 IMPACTE AMBIENTAL...67
3 OBTENCIÓ D'ENERGIA ELÈCTRICA...68
3.1 NECESSITATS D'ENERGIA ELÈCTRICA...69
3.1.1 AMB CONNEXIÓ A XARXA...70
3.1.2 SENSE CONNEXIÓ A XARXA...70
3.2 FOTOVOLTAICA...72
3.2.1 RESUM DE CARACTERÍSTIQUES...73
3.2.2 INSTAL·LACIÓ NECESSÀRIA...76
3.2.2.1 COL·LECTOR... 77 3.2.2.2 SEGUIDOR... 78 3.2.2.3 BATERIA ... 79 REGULADOR DE CÀRREGA...80 3.2.2.4 INVERSOR... 803.2.3 REQUERIMENTS DE LA SITUACIÓ...80
3.2.4 COST/POTÈNCIA...81
PANELLS DE SILICI MONOCRISTAL·LÍ...81
PANELLS DE SILICI POLICRISTAL·LÍ...82
PANELLS DE SILICI AMORF...82
3.2.4.2 INSTAL·LACIONS AILLADES...83
3.2.4.3 INSTAL·LACIONS CONNECTADES A XARXA...84
3.2.5 IMPACTE AMBIENTAL...85
3.3 EÒLICA...87
3.3.1 RESUM DE CARACTERÍSTIQUES TÈCNIQUES...88
3.3.2 INSTAL·LACIÓ NECESSÀRIA...91
3.3.2.1 TURBINA... 92 MULTIPALA... 92 AERODINÀMICA... 93 3.3.2.2 BATERIA... 943.3.3 REQUERIMENTS DE LA SITUACIÓ...94
3.3.4 COST / POTÈNCIA...99
3.3.4.1 INSTAL·LACIONS AILLADES...993.3.4.2 INSTAL·LACIONS CONNECTADES A XARXA...100
3.3.5 IMPACTE AMBIENTAL...100
3.4 MINI HIDRÀULICA...102
3.4.1 RESUM DE CARACTERÍSTIQUES...102
3.4.2 INSTAL·LACIÓ NECESSÀRIA...102
3.4.2.1 TURBINA... 1023.4.3 REQUERIMENTS DE LA SITUACIÓ...103
3.4.4 COST / POTÈNCIA...103
3.4.5 IMPACTE AMBIENTAL...103
4 APLICATIU (FULL DE CÀLCUL)...104
5 LEGISLACIÓ...114
5.1 COL·LECTORS SOLARS TÈRMICS...114
5.2 GEOTÈRMICA...114
5.3 FOTOVOLTAICA...115
5.4 EÒLICA ...115
6 SUBVENCIONS...116
7 BIBLIOGRAFIA...121
8 ANEXES...122
8.1 CÀLCUL DE PREUS...122
8.1.1 SOLAR TÈRMICA...122
8.1.1.1 DADES DE DISTRIBUIDORS...122 COL·LECTORS PLANS... 122COL·LECTORS PER PISCINA...123
INSTAL·LACIONS PER ACS...123
INSTAL·LACIONS PER CALEFACCIÓ...124
INSTAL·LACIONS EXCOLSIVES PISCINA...124
INSTAL·LACIONS CLIMATITZACIÓ...125
8.1.1.2 MA D'OBRA SOLAR TÈRMICA...125
8.1.2 GEOTÈRMICA...126
8.1.3 BIOMASSA...129
8.1.3.1 GENERADORS... 129 8.1.3.2 COMBUSTIBLES... 1308.1.4 FOTOVOLTAICA...131
8.1.4.1 PANELLS... 131 8.1.4.2 SISTEMES COMPLETS...1318.1.5 EÒLICA...133
8.2 TEMPERATURA DE L'AIGUA DE LA XARXA GENERAL...135
1 INTRODUCCIÓ
1.1 JUSTIFICACIÓ
Des de la revolució industrial s'ha multiplicat de manera alarmant el consum de combustibles fòssils, durant el segle XIX el carbó i durant el segle XX el petroli. Aquestes fonts d'energia estan formades per l'acumulació d'energia del sol durant milions d'anys i s'estima que el ritme de consum actual és 100.000 vegades el ritme de formació. El cas del petroli és el més problemàtic al pronosticar-se l'estancament de l'extracció d'aquí com a màxim 50 anysi el consum continua creixent de forma exponencial.
No passaran gaires anys perquè la nostra generació i les següents siguin objecte de forts canvis pel colossal desaprofitament d'energia que s'ha donat en l'ultim segle, dedicant el petroli com a combustible universal quan, de per si, és un material idoni per convertir-se en centenars de productes més útils i valuosos, que van des dels plàstics a les parafines, les essències i tantes famílies més de materials profitosos. A més de la seva destrucció, cremar el petroli produeix grans quantitats de CO2 i més compostos
contaminants en menor quantitat que ja han provocat grans desastres ambientals a nivell local i comencen a provocar canvis en el sistema climàtic global. Aquest sistema energètic també provoca la inevitable pujada de preus periòdica per la extracció progressivament més llunyana i de més profunditat, com també la desestabilització política global al concentrar-se totes les fonts de petroli i gas en un nombre molt petit de països.
En un model energètic sostenible és prioritari avançar en el camí del foment de les energies renovables de manera sincronitzada amb una estratègia d’estalvi, eficiència energètica i adequació del consum a la disponibilitat, ja que aquests àmbits són complementaris. És a dir, cal impulsar les fonts energètiques renovables fins al seu màxim potencial però, al mateix temps, reduir les necessitats energètiques de la societat a uns valors que permetin que les energies renovables en siguin el component principal.
Un ús racional de l'energia és importantíssim per l'aplicació actual d'energies renovables permetent la instal·lació de menys potència i fent-la molt més rentable. Es pot considerar qua l'eficiència energètica és més barata que la producció d'energia.
1.2 DEFINICIÓ
L'ús d'energies renovables és idoni per reduir l'impacte ambiental que suposa el consum energètic de la població actual, el propòsit és fer un estudi de les diferents fonts d'energies renovables enfocades a habitatges o petites aplicacions aïllades. Així doncs, l'objectiu que persegueix aquest document no és tant definir les tecnologies disponibles sinó avaluar les possibilitats d'implementació d'aquest tipus de generació energètica com a instal·lació per un consum particular de petita escala.
Les energies renovables són aquelles energies que es produeixen de forma continua i són inesgotables a escala humana. Les energies renovables són fonts d’abastiment energètic respectuoses amb el medi ambient. Aquest fet no significa que no ocasionin efectes negatius sobre l’entorn, però aquests són infinitament menors si es comparen amb els impactes ambientals de les energies convencionals (combustibles fòssils: petroli, gas i carbó; energia nuclear, etc.) i, a més, són gairebé sempre reversibles: es restitueixen gratuïtament.
Aquest estudi es desenvolupa amb la finalitat d'avaluar, a nivell de petites generacions, les diferents tecnologies disponibles per a utilitzar energies renovables. Les instal·lacions necessàries per desenvolupar aquestes tecnologies estaran dimensionades com les normatives i subvencions engloben l'aplicació en habitatges o petites aplicacions aïllades dins de territori Català.
que ens proporcionen energia tèrmica i les que s'utilitzen per obtenir energia elèctrica. En el cas de les primeres l'aplicació pràctica és per a la climatització i aigua calenta del domicili, que ens vindrà donada per les instal·lacions de panells solars tèrmics, captadors d'energia geotèrmica i calderes de biomassa.
Pel que fa a l'energia elèctrica que es necessita en un habitatge l'estudi presenta com a més òptimes les plaques fotovoltaiques, els petits aerogeneradors eòlics i els sistemes mini-hidràulics. En aquest apartat es podria incloure les explotacions de biogàs i mareomotrius, la seva aplicació no resulta adequada per l'elevat nivell de tecnologia que requereixen, en el cas del biogàs és més rentable la centralització, fins a cert punt, en les instal·lacions i sobre l'energia mareomotriu en petit format existeixen les primeres experiències a Catalunya però no és accesible a nivell particular.
Les dades principals d'aquest estudi i les conclusions obtingudes estan reunides en un full de càlcul concebut com a aplicació interactiva en que es pot avaluar les possibilitats, els rendiments i els costos orientatius de cada tipus d'energia. Aquest aplicatiu requereix molt poques dades tècniques, contenint la majoria que es requereixen, per fer-lo accesible a tots els usuaris.
Per classificar les tecnologies disponibles d'energies renovables es divideix segons el tipus d'energia que proporcionen. Tots els sistemes generadors d'energia mecànica estan avaluats també com a generadors d'energia elèctrica degut que és la seva principal aplicació.
Cada tipus d'energia, tèrmica o elèctrica, té unes necessitats associades, aquestes es calculen per habitatges al principi de cada apartat tot i que poden servir diferents finalitats. En l'estudi de cada recurs energètic renovable es pot trobar:
• Resum de característiques tècniques: aquest resum pretén reunir tota la informació tècnica necessària per avaluar les condicions en que s'implantara la instal·lació i a partir de les mínimes dades necessàries poder conèixer els requeriments en qualsevol punt de Catalunya.
• Instal·lació necessària: en aquest apartat es descriuen les característiques i propietats del diferents elements que permeten la generació.
• Requeriments de la situació: les fonts renovables aprofiten l'energia disponible en el lloc d'aplicació, el cas de la biomassa és l'únic que permet el transport i tot i així a petita distància, en aquest apartat es quantifica l'energia disponible al territori de Catalunya per a cada tipus d'energia renovable. • Cost/Potència: La potència subministrable pels diferents generadors ha de ser equivalent a les
necessitats, en aquest apartat es dimensionen els diferents generadors i es fa un càlcul orientatiu del preu depenent de la potència requerida.
• Impacte ambiental: La generació d'energia renovable ha sigut molt poc habitual i suposa una instal·lació més als habitatges, aquí s'avaluen les conseqüències de la seva implantació.
Els càlculs de preus són orientatius i pensats per una instal·lació mitjana, no sent ni el preu mínim ni màxim del mercat. Només és raonable extrapolar-los per a consums equivalents a habitatges de dues famílies. Poden existir multitud de condicions que requereixin modificacions en la instal·lació i la conseqüent modificació del cost, per exemple salvament de distàncies o rendiments reduïts.
2 OBTENCIÓ D'ENERGIA TÈRMICA
Segons un estudi realitzat per l'Ajuntament de Barcelona1 les necessitats d'energia tèrmica d'una vivenda
són el 68% del total incloent-hi l'energia consumida per l'ACS (Aigua Calenta Sanitària), la calefacció i la cuina, en aquest apartat tindrem en compte les dues primeres.
En el cas de l'energia consumida a la cuina les possibilitats són la utilització de cuines solars, molt econòmiques però poc pràctiques (necessitat de molta irradiació solar i molt espai), crema de biocombustibles en cuines econòmiques o utilització d'energia elèctrica provinent de fonts renovables. El transport d'energia tèrmica té unes pèrdues molt elevades per això l'energia tèrmica s'ha de produir en el mateix lloc on es consumeix.
2.1 NECESSITATS D'ENERGIA TÈRMICA
2.1.1
ACS (Aigua Calenta Sanitària)
La necessitat d'ACS és universal i és obligatòria per llei la instal·lació de fonts d'energia no convencionals per a edificis de nova construcció i grans rehabilitacions, a nivell estatal pel CTE (Código Técnico de la Edificación) i en ordenances locals.
Per dimensionar el sistema, la normativa indica el volum d'aigua calenta acumulat a 60ºC per persona de l'habitatge i dia:
• Segons el CTE: 30l/persona i dia a 60ºC per habitatges unifamiliars i 22l/persona i dia a 60ºC per a habitatges multifamiliars, i les següents persones per dormitori:
1 Guia per l'estalvi energètic de la llar editat per l'Ajuntament de Barcelona. 28%
29% 10%
11% 22%
CONSUM ENERGÈTIC A LA LLAR
aigua calenta calefacció il·luminació cuina
• Segons el Decret d'Ecoeficiència 28l/dia a 60ºC. I les següents persones per dormitori
Per maximitzar el rendiment dels sistemes de calefacció aquests han de treballar a la mínima temperatura possible. Seguint el compliment del CTE els valors d'acumulació es poden equiparar als següents:
• 30l/dia i persona a 60ºC 40l/dia i persona a 45ºC • 22l/dia i persona a 60ºC 30l/dia i persona a 45ºC
Per poder determinar la demanda energètica mensual necessària, en el cas de l'ACS hem d'aplicar la següent fórmula:
E
ACS=
ρ
×
Ce
×
Dm
× ∆
T
[
kJ
]
On:
•
E
ACS : Demanda energètica mensual d’ACS de la vivenda [kJ/mes].•
ρ
: Densitat de l'agiua [es pot considerar de 1 kg/l.].•
Ce
: Calor específic de l’aigua [4,187 J/ºC kg].•
Dm
: Demanda mensual d'ACS [litres/mes].•
∆
T
: Salt tèrmic entre la temperatura d’acumulació d’ACS (60ºC) i la temperatura de la xarxa d’aigua potable (Txarxa).2.1.2
CALEFACCIÓ
Existeixen moltes tecnologies diferents per a calefacció, sent paràmetres importants l'orientació de la casa, els aïllaments, característiques dels espais colindants, la font d'energia (cremadors, col·lectors o resistències) o el mètode de dispersió de calor (radiadors, terra radiant o estufa).
Per al dimensionament de la calefacció d'una vivenda existeixen diferents mètodes de càlcul, en general s'ha de tenir en compte els paràmetres paràmetres següents:
• Zona climàtica del projecte. • Intermitència del funcionament.
• Aïllaments de terra, parets, sostre i tancaments.
• Distribució de l'espai amb temperatures especifiques per cada una. • Sistema de calefacció: terra radiant, radiadors o estufa.
Per poder fer una aproximació de la potència a instal·lar s'utilitzarà la següent taula per a edificacions típiques amb aïllament mitja-alt; elaborada per l'ICAEN basada en la Norma UNE-EN 12831 – Cálculo simplificado de la carga térmica total del edificio
Potència superfície nova = Potència requerida per vivenda taula · 135 / superfície nova
El sistema de calefacció és complex i hi ha molts factors dels que depèn l'elecció del més indicat. En el present estudi es contemplen les instal·lacions més comunes centrant l'atenció a aquelles més efectives. Les característiques més importants per augmentar l'eficiència energètica del sistema són: bons aïllaments de tot el circuit hidràulic, màxima continuïtat i mínima temperatura de funcionament.
2.1.3
PISCINES
La utilització d'energia solar tèrmica per escalfar piscines és obligatòria pel CTE a tot l'estat2 i cada vegada
és més freqüent per l'abaratiment de les instal·lacions. El cost dels sistemes solars ja és menor que el dels sistemes convencionals si només tenim en compte el mesos d'estiu. A més, la instal·lació és molt recomanable ja que la radiació solar que a l'estiu escalfa la piscina a l'hibern pot destinar-se a l'ACS i la calefacció de l'habitatge. La resta d'energies renovables no són tant indicades per aquest ús.
La temperatura consigna de l’aigua de la piscina (segons el CTE) es fixa a 25ºC ja que es considera que és una temperatura de confort en una piscina descoberta privada i el dimensionat de la instal·lació de la piscina es projecta per a ser utilitzada del mes d’abril al mes de Setembre.
2 Piscines exteriors: la totalitat de l'energia
La despesa energètica de l'escalfament d'una piscina es calcula a partir d’un balanç on intervenen pèrdues de calor per evaporació, pèrdues o guanys de calor per radiació, guanys de calor per convecció, pèrdues de calor per renovació de l’aigua de la piscina, pèrdues de calor per conducció a través dels murs i la solera de la piscina i el calor guanyat per la radiació solar incident al vas de la piscina,
Per a un càlcul aproximatiu el mètode proposat per algunes empreses és: multiplicar la superfície en m2 de
la piscina pels tres factors següents per obtenir la superfície necessària aproximada de col·lectors plàstics: • Factor 1:
Zona segons zona climàtica del CTE
Factor multiplicador Zona 1 1,5 Zona 2 1,25 Zona 3 1 Zona 4 0,75 Zona 5 0,5 • Factor 2:
Protecció del vent Factor multiplicador Molt protegida 1
Protegida 1,2 Desprotegida 1,4 • Factor 3:
En cas d'utilitzar una manta tèrmica quan no es dona servei a la piscina: Factor multiplicador = 0,6 No utilitzant-la: Factor multiplicador = 1
m2 de col·lectors = Factor1 · Factor2 · Factor3 · m2 superfície piscina
2.1.4
REFRIGERACIÓ
La instal·lació de sistemes de refrigeració ha crescut enormement en els últims anys, cada vegada es fa imprescindible per a més sectors. Degut a la coincidència temporal de la necessitat de refrigeració i millors condicions per captar energia solar es fa possible desenvolupar sistemes de refrigeració solar, malgrat tot aquests encara tenen un cost molt alt. Els sistemes geotèrmics de molt baixa temperatura amb la utilització d'una bomba de calor donen actualment el millor rendiment en refrigeració, tenen un cost alt però ofereixen ACS i climatització amb un estalvi en el consum del 60% al 80%.
PANELLS SOLARS TÈRMICS
2.2 PANELLS SOLARS TÈRMICS...12
2.2.1 RESUM DE CARACTERÍSTIQUES TÈCNIQUES...13
2.2.2 INSTAL·LACIÓ NECESSÀRIA...17 2.2.2.1 COL·LECTORS ...18 2.2.2.2 DISSIPADORS DE CALOR...20 2.2.2.3 SISTEMA HIDRÀULIC ...20 ACOMULADOR...20 INTERCANVIADOR...21 VAS D'EXPANSIÓ...21 2.2.3 REQUERIMENTS DE LA SITUACIÓ...22
2.2.3.1 NIVELL DE RADIACIÓ SOLAR...22
DADES DEL CTM...23 DADES DE L'ICAE...24 DADES ESTUDI...26 2.2.3.2 ALTRES REQUERIMENTS...26 FACTOR OMBRA...26 PÈRDUES...26
TEMPERATURA MITJANA DE L'AIGUA DE LA XARXA...27
2.2.4 COST/POTÈNCIA...28
2.2.4.1 ACS (Aigua Calenta Sanitària)...29
2.2.4.2 CALEFACCIÓ...30
2.2.4.3 ESCALFAMENT DE PISCINES...31
2.2.4.4 REFRIGERACIÓ...32
2.2.4.5 COL·LECTORS...32
COL·LECTORS PLANS...32
COL·LECTORS TUB DE BUIT HEAT PIPE...33
COL·LECTORS PER PISCINA...33
2.2 PANELLS SOLARS TÈRMICS
L’ energia solar tèrmica és una font d’energia renovable, per tant, inesgotable, neta i que ha de ser aprofitada en el mateix lloc en què es produeix. A més el CTE (Codigo Técnico de la Edificación) fa obligatòria la utilització de l’energia solar tèrmica en les edificacions de nova construcció o que es rehabilitin amb un percentatge de la demanda d’aigua calenta sanitària i/o climatització de piscines.
L'aprofitament tèrmic de l'energia solar es divideix en tres àrees:
• Aprofitament de baixa temperatura (menys de 90ºC): aplicat per escalfar aigua i preparar aliments. • Aprofitament de mitjana temperatura (menys de 300ºC): per aplicacions industrials.
• Aprofitament de alta temperatura (fins a 4000ºC): aplicat en la generació d'electricitat.
En aquest estudi només es tindrà en compte l'energia solar tèrmica de baixa temperatura sent l'única que permet una instal·lació petita i assequible en una vivenda.
Els panells o col·lectors solars tèrmics de baixa temperatura consisteixen en una superfície fosca i ben aïllada tèrmicament en contacte amb un circuit hidràulic, han d'estar encarats correctament per rebre la màxima energia del sol possible. L'energia que recullen aquests panells la podem acumular connectant-los a un acumulador amb intercanviador i així disposar-ne en qualsevol moment (24 hores).
El rendiment dels panells solars depèn principalment de la temperatura ambient (pèrdues d'aïllament) i de la radiació solar, fet que provoca un rendiment baix durant l'hivern.
Mitjançant una màquina d’absorció es pot produir fred a partir de calor. Aquesta tecnologia es basa en la combinació de fluïts solubles entre sí a una temperatura i no solubles a una altra. D’aquesta manera s’aconsegueix que per un costat l’energia solar evapori un dels líquids, mentre que per l’altre costat del sistema, que està més fred, el líquid es torni a liquar i dissoldre amb el seu portador. Aquest mecanisme és l’essencial de condensar i evaporar que utilitzen les màquines estàndards de refrigeració, encara que aquestes utilitzen l’electricitat en comptes de l’energia solar. Tanmateix encara que la refrigeració solar és possible, es necessita una gran superfície de captadors i només és aconsellable en el cas que també s'aprofiti l'energia solar per escalfar a l'hivern.
2.2.1
RESUM DE CARACTERÍSTIQUES TÈCNIQUES
TIPUS D'ENERGIA
• SOLAR TÈRMICAAPLICACIONS
• ACS: obligatòria per llei en construcció nova i grans rehabilitacions i l'aplicació més rentable. • CALEFACCIÓ VIVENDA inversió alta, bon rendiment.
• CALEFACCIÓ PISCINA: inversió alta, màxim rendiment. • CLIMATITZACIÓ: poc desenvolupat, inversió molt alta.
POTÈNCIA
• Rendiment dels col·lectors. Tots els paràmetres consten a les característiques dels col·lectors: η = η0 - K1 ·(ΔT / I ) - K2 ·(ΔT / I )2
◦ η0 : Factor d’eficiència òptica del captador.
◦ K1 : Coeficient lineal de pèrdues del captador [W/m2·K]
◦ K2 : Coeficient secundari de pèrdues del captador [W/m2·K2]
◦ ΔT : Salt tèrmic entre la temperatura de sortida del captador, considerant que correspon a la temperatura de l’aigua del acumulador (60ºC) i la temperatura ambient mitja.
◦ I : Irradiació solar [W/m2]
• Sabent el rendiment (η) d'una placa podem determinar l'energia útil obtinguda o potència subministrada pels col·lectors (E'u) aplicant aquest rendiment i el rendiment de la resta de la
instal·lació (10%) a la radiació solar útil (Eu) .
• L'energia solar útil rebuda es calcula de la següent forma:
E
u=
H
'×a ×du
(kWh/m
2)
◦
E
u: Energia de radiació solar útil rebuda diàriament sobre els captadors solars (kWh/m2). Escalcularà per cada mes.
◦
H
'
: Radiació solar mitja corregida incident sobre una superfície inclinada (kWh/m2). Consta al'Atles de Radiació Solar editat per l'ICAE (Institut Català d'Energia)
◦
a
:Factor de correcció per orientació i inclinació.◦
d
:Factor de correcció per ombres. El mètode de càlcul proposat pel CTE consta als requeriments de la instal·lació solar tèrmica d'aquest estudi.GENERADOR
• COL·LECTORS PLANS: els més comuns, bona relació cost/rendiment
• COL·LECTORS TUB DE BUIT HEAT PIPE: Millor rendiment global sobretot a l'hivern però pitjor relació cost/potència.
COSTOS
(Segons la mitjana de preus del mercat actual, annex 1)
•
COST GENERADOR ( € / m
2):
◦ COL·LECTORS PLANS: 122 · A (m2) + 297
◦
COL·LECTORS TUB DE BUIT HEAT PIPE: 356 · A (m2) + 424◦
COLECTORS PER A PISCINA: 45 · A (m2) + 86•
COST INSTAL·LACIÓ ( € / m
2):
◦
ACS: (318 + 586,5) · A (m2) + 1857 ; en condicions òptimes des de 800€/m2◦
CALEFACCIÓ: (270 + 586,5) · A (m2) + 3022◦
PISCINES: (132 + 80) · A (m2) + 103◦
REFRIGERACIÓ ( € / Kw ): 1988 · kw requerits + 3840 + 586,5 · A (m2)•
COST MANTENIMENT
:
30€/anySUBVENCIONS
• La convocatòria 2011 serà similar (previsiblement amb menys pressupost) a la Convocatòria 2010: es subvenciona un 37% sobre un màxim de 812€/col·lector en instal·lacions menors de 20m2 i sobre
un màxim de 710,5€/col·lector en instal·lacions majors de 20m2.
AMORTITZACIÓ (vers sistema convencional)
• ACS: de 4 a 7 anys• CALEFACCIÓ: de 5 a 10 anys • PISCINES: de 2 a 4 anys
RECURSOS REQUERITS
• Segons la radiació solar local varia el rendiment de les instal·lacions. • Connexió elèctrica en sistemes forçats
REQUERIMENTS EMPLAÇAMENT
Espai suficient per les plaques (segons el nombre) i adequat (orientat al sud), sense obstacles per la llum solar al llarg de tot l'any, i espai per la instal·lació a la mínima distància.
REQUEREIX SISTEMA ALTERNATIU
Si, i tal com cita la normativa, aquest ha de ser capaç d’abastir tota la demanda de la vivenda.
MODULABLE
APROFITAMENT DE SISTEMES EXISTENTS
Molt compatible en generadors convencionals com a sistemes alternatius i distribuïdors de calor de baixa temperatura.
CONDICIONAMENT DE L'ENTORN
Mínim, ancoratge dels suports de les plaques
CÀLCUL DE LA INSTAL·LACIÓ
•
ACS:
Segons el CTE: 30l/dia a 60ºC per habitatges unifamiliars i 22l/dia a 60ºC per a habitatges multifamiliars, i les següents persones per dormitori:E
ACS=r × Ce × Dm × DT
[
kJ
]
◦
E
ACS : Demanda energètica mensual d’ACS de la vivenda [kJ/mes].◦
r
: Densitat del aigua [es pot considerar de 1 kg/l.].◦
Ce
: Calor específic de l’aigua [4,187 J/ºC kg].◦
Dm
: Demanda mensual d'ACS [litres/mes].◦
DT
: Salt tèrmic entre la temperatura d’acumulació d’ACS (60ºC) i la temperatura de la xarxa d’aigua potable (Txarxa) que podem trobar a l'annex 2.•
CALEFACCIÓ:
Per poder fer una aproximació de la potència a instal·lar s'utilitzarà la següent taula per a edificacions típiques amb aïllament mitja-alt; elaborada per l'ICAEN basada en la Norma UNE-EN 12831 – Càlcul simplificat de la carrega tèrmica total del edifici.•
PISCINES:
Per a un càlcul aproximatiu el mètode proposat per algunes empreses es multiplica la superfície en m2 de la piscina per els tres factors següents per obtenir la superfície necessàriaaproximada de col·lectors plàstics: • Factor 1:
Zona segons zona
climàtica del CTE Factor multiplicador
Zona 1 1,5 Zona 2 1,25 Zona 3 1 Zona 4 0,75 Zona 5 0,5 • Factor 2: Factor multiplicador Molt protegida 1 Protegida 1,2 Desprotegida 1,4 • Factor 3:
En cas d'utilitzar una manta tèrmica quan no es dona servei a la piscina: Factor multiplicador = 0,6 No utilitzant-la: Factor multiplicador = 1
2.2.2
INSTAL·LACIÓ NECESSÀRIA
El captador solar instal·lat generalment a la coberta rep la radiació solar que incideix sobre la superfície escalfant el fluid de treball que circula pel seu interior. Aquest fluid és conduit cap a l’acumulador, que té el sistema d’intercanvi en forma de serpentí allotjat al seu interior, on es produeix la transferència de calor cap a l’aigua sanitària provinent de la xarxa de subministrament pública. El sistema acomulador-intercambiador pot estar allotjat damunt del col·lector en sistemes termosifó o a l'interior de la vivenda en sistemes de circulació forçada, també s'haurà de buscar una localització pel sistema auxiliar de recolzament i els vasos d’expansió corresponents.
La instal·lació de col·lectors solars s'ha de realitzar per un percentatge de l'energia requerida, la instal·lació recomanada és del 60 al 80% de l'ACS. En cas de dimensionar la instal·lació per un percentatge més alt o per calefacció serà necessari l'ús de dissipadors forçats de calor per evitar averies.
En la figura següent consten tots els elements principals per la instal·lació de tecnologia solar tèrmica, en el cas de la figura l'intercanviador és extern a l'acumulador i el sistema alternatiu (la caldera) és de generació instantània, també hi consta la màquina d'absorció que permet la generació de fred solar.
2.2.2.1
COL·LECTORS
Els col·lectors solars estan caracteritzats per una corba de rendiment que permet saber el comportament d’aquest en el conjunt de la instal·lació. És el propi fabricant el que assaja el captador i mostra a l’usuari els resultats obtinguts mitjançant una expressió que té la següent forma:
η = η0- K1 ·(ΔT / I ) - K2 ·(ΔT / I )2 On:
• η0 : Factor d’eficiència òptica del captador.
• K1 : Coeficient lineal de pèrdues del captador [W/m2·K]
• K2 : Coeficient secundari de pèrdues del captador [W/m2·K2]
• ΔT : Salt tèrmic entre la temperatura de sortida del captador, considerant que correspon a la temperatura de l’aigua de l'acumulador (60ºC) i la temperatura ambient mitja.
• I : Irradiació solar [W/m2]
Sabent el rendiment (η) d'una placa podem determinar l'energia útil obtinguda per les plaques (E'u) que ens
pot donar aplicant aquest rendiment i el rendiment de la resta de la instal·lació (10%) a la radiació solar útil (Eu).
Per conèixer la potència necessària a instal·lar en el cas dels col·lectors solars tèrmics l'element determinant és el nombre de plaques o la superfície absorbent necessària. La superfície útil total (S) de col·lectors que hem d'instal·lar ve determinada per la relació entre l'energia requerida anual (Ereq) i l'energia radiada útil (Eútil) anual obtinguda tenint en compte la situació i posició del col·lector.
S
=
E req
E útil
• COL·LECTORS PLANSEl col·lector pla té quatre components principals. Dins d'un marc d'alumini aïllat es troba l'absorbidor (registre de tubs de coure, soldats a una lamina prima de coure pintat de negre, on circula l'agua), així com un vidrie especial d'alta transmissió segellat al marc. Per augmentar l'eficiència de l'absorbidor, s'utilitzen plaques selectives (aleacions de varis metalls amb tractaments especials de la superfície). Actualment s'estan implantant plaques integrades en teulades i parets amb bons rendiments si tenen prou radiació solar.
• COL·LECTORS TUB DE BUIT HEAT PIPE
Els col·lectors amb tub de buit tenen millor rendiment global sobretot a l'hivern però pitjor relació cost/potència, tot i això presenten avantatges pel rendiment en condicions òptimes i la conseqüent reducció d'espai necessari però sobretot pel bon rendiment amb factors d'orientació reduïts i baixes temperatures.
col·lector de tubs de buit amb tots els elements necessaris per una instal·lació d'ACS
• COLECTORS PER PISCINA
Actualment existeix una tipologia de captadors anomenats captadors piscina els quals permeten que l’aigua de la piscina circuli directament a través seu. Estan fabricats de plàstic, generalment de polietilè o polipropilè amb tractament enfront als afectes del intempèrie i agents químics de purificació de l’aigua de la piscina. Aquest fet dóna una instal·lació amb major rendiment de la instal·lació, pèrdues tèrmiques petites, menor cost econòmic i possibilitat d’escalfar l’aigua de la piscina directament sense necessitat de cap intercanviador. L'inconvenient més gran és que no permet escalfar-hi l'ACS durant l'hivern.
2.2.2.2
DISSIPADORS DE CALOR
Com que els captadors solars, utilitzats en la majoria de les instal·lacions de calefacció, treballen a temperatures baixes, no és adequat utilitzar radiadors convencionals, ja que necessiten aigua a 80-90ºC per al seu funcionament, mentre que els captadors solars plans treballen amb un bon rendiment produint aigua calenta a 50ºC. Per això cal fer servir altres sistemes de calefacció com:
• Terra radiant: circulació d’aigua per un circuit situat sota el paviment de l'habitatge . S´utilitza principalment en obra nova o rehabilitacions integrals on calgui substituir o modificar els paviments. • Radiadors sobredimensionats: on la superfície del radiador es molt més gran que la dels radiadors
convencionals per poder cedir la mateixa calor amb un cabal d’aigua a temperatura inferior que els convencionals. Són molt adients en espais amb amplis passadissos, corredors, escales, etc.
• Convectors forçats "Fan-coils" o ventilo-convectors: estan formats per un grup de tubs per on circula l’aigua i que és travessat per un corrent d’aire que s´escalfa i es distribueix a l’ambient. Són molt adients per a espais d'ús intermitent com ara oficines.
2.2.2.3
SISTEMA HIDRÀULIC
El sistema hidràulic està format per tots els elements de la instal·lació però en aquest apartat s'hi inclouen els que no tenen apartat propi.
Hi ha dues configuracions molt diferenciades:
•
Sistema termosifó: el col·lector capta la radiació solar directa i difusa i, per l'efecte termosifó, l'aigua calenta del col·lector puja fins al tanc i la més freda, que és més pesada, baixa al col·lector per ser escalfada. Molt econòmic i més efectiu en temperatures altes, l'acumulador ha d'estar damunt la placa i augmenten les pèrdues amb el descens de la temperatura. En el sistema independent, l’aprofitament energètic és pràcticament total degut a l’absència d’intercanvis d’energia innecessaris i a la òptima gestió que desenvolupa el regulador solar.• Sistema forçat: un regulador termo-diferencial força la circulació del circuit utilitzant una bomba de recirculació. Instal·lació més complexa però més eficient que necessita connexió a xarxa elèctrica. En el cas que les canonades de subministrament d'aigua calenta tinguin una longitud major de 15 metres és obligat per la normativa que actuí un circuit de recirculació mantenint el circuit constantment en funcionament.
◦
ACOMULADOR
L'acumulador té la funció de conservar l'energia tèrmica, en sistemes petits la temperatura es pot mantenir d'un a quatre dies.
Pot haver-hi un o dos acumuladors:
• Un acumulador: normalment amb l'intercanviador integrat és adequat per a instal·lacions amb sistema de reforç instantani o elèctric.
• Dos acumuladors: més estabilitat, per a instal·lacions mixtes de calefacció i ACS amb sistema de reforç per acumulació (calderes).
Hi ha dues normes que determinen la mida d'un acumulador:
• El CTE-HE4 estableix la següent condició que afecta a la capacitat d'acumulació: 50<V/A<180
◦
A: superfície total d'acumulació (m2)◦ V: volum d'acumulació (l)
•
La RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios) estableix la següent regla per a acumulació d'ACS:0,8 < V/M < 1 ◦ V: volum total d'acumulació
◦ M: consum estimat diari
◦
INTERCANVIADOR
En compliment de la normativa del CTE, s’utilitza un sistema d’intercanvi de calor indirecte, el qual fa que es puguin distingir dos circuits independents; un circuit primari per on circula el fluid de treball i un circuit secundari per on circula l’aigua de consum. L’element que interacciona amb els dos circuits és el intercanviador, el qual en la majoria de casos està allotjat a l'interior de l’acumulador.
◦
VAS D'EXPANSIÓ
En un circuit per on circula fluid a temperatures que varien en funció del temps, es produeixen canvis en el volum del fluid de treball, pel que és necessari absorbir la dilatació d’aquest mitjançant un sistema d’expansió. N’hi ha d’oberts i de tancats, els tancats tenen la possibilitat de col·locar-los a l'interior de la vivenda. Generalment n'hem d'instal·lar un al circuit primari i un altre en el secundari.
Per últim, per especificacions del CTE, obliga a instal·lar un purgador i un sistema automàtic de mescla que limiti la temperatura de consum de l’aigua. Encara que el sistema de control solar està dissenyat per mantenir a temperatura de l'acumulador a 60ºC, es disposarà d’una vàlvula de 3 vies mescladora i motoritzada que evitarà subministrar l’aigua als usuaris a una temperatura superior als 60ºC.
2.2.3
REQUERIMENTS DE LA SITUACIÓ
El requeriment principal és una bona situació que permeti el màxim d'incidència de la radiació solar. L’aprofitament de la radiació disponible depèn directament de la posició de la superfície captadora respecte de la radiació solar incident. S’obté la captació màxima quan la superfície captadora està perfectament perpendicular a la radiació solar.
Les principals situacions possibles per als col·lectors són:
• Muntatge sobre la teulada: És el tipus utilitzat en el 90% dels casos, es col·loquen els mòduls
sobre el revestiment de la teulada, amb la seva inclinació.
• Muntatge dins de la teulada: En aquest cas, els mòduls formen el revestiment de la teulada.
Aquest tipus de muntatge és una mica més costós, ja que ha de ser estanc, però s’estalvien els costos per al revestiment de la teulada.
• Muntatge sobre coberta plana: En aquest tipus de muntatge els mòduls es subjecten sobre un
bastidor per obtenir l’angle desitjat. S’utilitzen sobre cobertes planes (garatges, naus industrials, etc.) i també a la col·locació a l’aire lliure. És el sistema més econòmic i de muntatge més senzill.
• Muntatge sobre la façana: La integració en façanes és un dels sistemes més avançats, permet la
instal·lació on no és possible instal·lar-les inclinades. La disposició vertical redueix considerablement el rendiment de la instal·lació. Tot i això, el balanç pot ser positiu amb captadors d'alt rendiment o integrats a la façana.
Els sistemes de seguiment no s'utilitzen en instal·lacions de col·lectors tèrmics degut al gran cost afegit que suposen sent més rentable la instal·lació de més col·lectors.
2.2.3.1
NIVELL DE RADIACIÓ SOLAR
El nivell de radiació solar és un dels factors determinants per dimensionar una instal·lació solar. Els càlculs es realitzen amb dades mensuals degut a les grans diferències de rendiment i demanda durant l'any. (Tenint en compte que 3.600 kJ corresponen a 1kWh)
L'energia solar útil rebuda es calcula de la següent forma:
E
u=
H
'
×
α ×δ
u(kWh/m
2)
•
E
u: Energia de radiació solar útil rebuda diàriament sobre els captadors solars (kWh/m2). Es calcularà per cada mes.•
H
'
: Radiació solar mitja corregida incident sobre una superfície inclinada (kWh/m2). Consta a l'Atlesde Radiació Solar editat per l'ICAE (Institut Català d'Energia)
•
α
: Factor de correcció per orientació i inclinació.•
δ
: Factor de correcció per ombres. El mètode de càlcul proposat pel CTE consta als requeriments de la instal·lació solar tèrmica d'aquest estudi.◦
DADES DEL CTM
Segons el CTE HE-4 la distribució de les zones climàtiques per nivells és la següent:
Segons la zona climàtica es determina el percentatge de contribució solar
La font de dades més exacte per la zona de Catalunya és l'Atles de Radiació Solar editat per l'ICAE (Institut Català d'Energia), tot i que igualment els càlculs pel compliment de la normativa s'han de realitzar amb les dades del CTE (Codigo Técnico de la Edificación).
◦
DADES DE L'ICAE
Dins l'Atlas de Radiació Solar podem trobar mapes mensuals i taules amb la irradiació solar per mesos i segons l'angle d'incidència per poder fer un càlcul molt més acurat per cada instal·lació.
◦
DADES ESTUDI
El procediment d'aproximació d'aquest estudi es realitzara sobre mitjanes per províncies provinents de l'IDAE PET-REV 2002, per tant i observant els mapes de radiació solar es desprèn que aquesta font de dades no garanteix ni el compliment de la normativa ni el rendiment real, no obstant és adequat per aquest gràcies a les poques dades tècniques requerides.
2.2.3.2
ALTRES REQUERIMENTS
◦
FACTOR OMBRA
Segons els possibles obstacles que hi hagi es determinarà el factor d'ombra que, pel compliment de la normativa, en casos generals les pèrdues per ombres han de ser inferiors al 10% (factor δ=0,9).
El següent diagrama (figura 3.4 CTE HE-4) mostra les trajectòries del Sol, de tal manera que cada sector representa el recorregut del Sol en un període de temps i amb una irradiació solar anual. Conegut el perfil d’obstacles que pot generar ombra en el camp de captació i comparant-lo amb el diagrama aportat, es defineix un percentatge de pèrdues. Quan el perfil no es projecte totalment sobre un sector se li aplicarà un factor de omplert que serà: 0,25, 0,5, 0,75 y 1 en funció de com sigui aquesta ocupació (δ=1 si no hi ha ombra).
◦
PÈRDUES
En totes les instal·lacions s’ha de complir la condició que la suma de les pèrdues per orientació i inclinació (α) i les pèrdues per ombres (δ) siguin inferiors als límits estipulats respecte als valors obtinguts amb orientació i inclinació òptims i sense cap ombra. Els valors límits, especificats a la taula 2.4 CTE HE-4, són els següents:
Per al compliment d'aquesta norma, els captadors han d’instal·lar-se orientats amb les següents inclinacions a partir dels “Criteris de Qualitat i Disseny d'instal·lacions d'Energia Solar per a Aigua Calenta i Calefacció” que imposa la Generalitat de Catalunya juntament amb APERCA. La orientació horitzontal o angle d'azimut serà de 0º respecte al sud (desviació màxima,15%) i la inclinació vertical del captador serà de forma que estigui perpendicular als raigs solars, la inclinació de màxima irradiació coincideix amb la latitud de la situació on s'implanti la instal·lació, però pel disseny d'una instal·lació solar tèrmica s'inclinarà per rebre més radiació en l'època de més consum:
◦
TEMPERATURA MITJANA DE L'AIGUA DE LA XARXA
La temperatura de la xarxa és determinant per determinar les necessitats calorífiques tant per l'ACS com per al calefacció, per a un càlcul més real es consideren les dades mensuals tant de temperatura de l'aigua, radiació solar i necessitats. Les dades de les províncies catalanes és la següent:
Temperatura mitjana de l'aigua de xarxa general, en ºC (Font: CENSOLAR)
Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Sept. Oct. Nov. Dic. Anual Barcelona 8 9 11 13 14 15 16 15 14 13 11 8 12,3
Girona 6 7 9 11 12 13 14 13 12 11 9 6 10,3 Lleida 5 6 8 10 11 12 13 12 11 10 8 5 9,3 T arragona 6 7 9 11 12 13 14 13 12 11 9 6 10,3
2.2.4
COST/POTÈNCIA
La calefacció d'un habitatge amb energia solar presenta unes peculiaritats que fan que, tot i ser tècnicament possible, requereix d'un anàlisi més complex que l'aplicació per produir aigua calenta sanitària. En primer lloc l´estacionalitat de la demanda (centralitzada exclusivament en els mesos d'hivern) pot provocar una utilització anual baixa del sistema solar. Aquesta característica es pot minimitzar dimensionant la instal·lació per tal de cobrir només una petita part de la calefacció (15-25%) i dedicant el sistema durant la resta de l'any a la producció d'aigua calenta sanitària. La resta de necessitats per a calefacció les proporciona el sistema de suport. Una instal·lació més adaptada seria la que combinés la calefacció a l'hivern, l'escalfament d'una piscina a l'estiu i la producció d'aigua calenta sanitària durant tot l´any.
L'aplicació més habitual de l'energia solar tèrmica és per escalfar ACS aquesta té una demanda força estable durant tot l'any i permet aprofitaments de fins al 60% o 70%, la resta d'energia s'haurà de produir amb un sistema de suport.
La principal avantatge de les energies renovables és que no obtenen l'energia de fonts que tendeixen a pujar de preu permanentment, per això tot i que la inversió sigui alta són rentables a llarg plaç. Els sistemes actuals per a panells de baixa temperatura s'amortitzen amb un període de 3 a 6 anys respecte una instal·lació convencional, es pot considerar que són econòmicament molt rentables ja que són més estables i tenen una vida útil molt llarga, de 20 a 40 anys, i 10 anys de garantia.
Els fabricants aconsellen estimar un 10% en pèrdues generades en tots els elements de la instal·lació, degudes fonamentalment a l'aïllament. Pel càlcul d'aquest estudi aquestes pèrdues s'estimaran sobre tota la instal·lació.
Cal comentar que l’Institut Català de l’Energia (ICAEN) habilita una sèrie de subvencions en matèria d’energies renovables que es resumeixen en l'apartat 6.1.2 SUBENCIONS.
Per determinar el cost de la instal·lació en la comparativa d'aquest estudi i donada la necessitat d'obtenir el resultat sense informació tècnica sobre l'emplaçament de la instal·lació s'han considerat els preus d'instal·lacions completes noves de diferents subministradors i per a les diferents aplicacions i s'han comparat amb els m2 de superfície solar útil.
2.2.4.1
ACS (Aigua Calenta Sanitària)
Per obtenir el nº de plaques s'utilitzarà un full de càlcul que opera amb el mètode F-CHART i fonts de dades de l'administració, en aquest també podem calcular els litres d'acumulació necessària. Per maximitzar el rendiment de la instal·lació la fracció solar en els mesos de màxim rendiment ha de ser la major possible sense excedir mai el 100%.
Per determinar el cost de la instal·lació s'aplicarà la següent formula (deduïda a partir de dades d'instal·lacions completes subministrades per diferents empreses, aquestes dades consten a l'annex 1:
Cost de la instal·lació per ACS ( € ) =(318 + 586,5) · (nº col·lectors · 1,86) + 1857
= (Factor instal·lació + Factor ma d'obra) · m2 col·lector de càlcul + Correcció elements instal·lació
El cost mínim d'instal·lació és força més baix, el calculat és el mitja que té en compte tipus d'instal·lació complexes, segons un informe de l'IDAE el cost mínim requerit per aquest tipus d'instal·lacions és de 800€/m2. 1,5 2 2,5 3 3,5 4 0 1000 2000 3000 4000 5000 f(x) = 317,85x + 1857,18
INSTAL·LACIONS ACS
Superfície útil col·lectors (m2)
P re u in s ta l·l a ci ó ( € )
2.2.4.2
CALEFACCIÓ
Per poder fer una aproximació de la potència a instal·lar es considerarà la més utilitzada: 100kcal/h·m2 i en cas de cases mal aïllades (tancaments deteriorats) o situades en zones de muntanya (a partir de 1000m) 150 kcal/h·m2.
Per calcular el nº de plaques necessàries per cobrir aquesta demanda s'utilitzarà el full de càlcul F-chart. Per el cost de la instal·lació s'aplicarà la següent formula (deduïda a partir de dades d'instal·lacions completes subministrades per diferents empreses, aquestes dades consten a l'annex 1:
Cost de la instal·lació per calefacció = (270 + 586,5) · (nº col·lectors · 1,86) + 3022
= (Factor col·lectors + Factor ma d'obra) · m2 col·lector de càlcul + Correcció elements instal·lació
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 f(x) = 269,93x + 3021,91
INSTAL·LACIONS CALEFACCIÓ
Superfície útil col·lectors (m2)
P re u in s ta l·l a ci ó ( € )
2.2.4.3
ESCALFAMENT DE PISCINES
Econòmicament un sistema solar per escalfar l'aigua d'una piscina presenta números molt interessants en comparació amb escalfadors de gas o sistemes elèctrics. El temps d'amortització sempre queden per sota de tres anys, amb una vida útil de vint anys i una garantia de deu anys sobre els col·lectors. Per reduir les pèrdues calorífiques (sobretot a la nit) es recomana l'ús de cobertors tèrmics, una manta que flota a l'aigua i redueix les pèrdues en aproximadament un 50%.
Per a un càlcul aproximatiu el mètode proposat per algunes empreses és: multiplicar la superfície en m2 de
la piscina pels tres factors següents per obtenir la superfície necessària aproximada de col·lectors plàstics: • Factor 1:
Zona segons zona climàtica del CTE
Factor multiplicador Zona 1 1,5 Zona 2 1,25 Zona 3 1 Zona 4 0,75 Zona 5 0,5 • Factor 2:
Protecció del vent Factor multiplicador Molt protegida 1
Protegida 1,2 Desprotegida 1,4 • Factor 3:
En cas d'utilitzar una manta tèrmica quan no es dona servei a la piscina: Factor multiplicador = 0,6 No utilitzant-la: Factor multiplicador = 1
m2 de col·lectors = Factor1 · Factor2 · Factor3 · m2 superfície piscina
Per el cost de la instal·lació s'aplicarà la següent formula (deduïda a partir de dades d'instal·lacions completes subministrades per diferents empreses, aquestes dades consten a l'annex 1:
Cost de la instal·lació per piscina = (132 + 80 · m2 de col·lectors ) + 103
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 2000 4000 6000 f(x) = 132,52x + 103,35
INSTAL·LACIÓ EXCLUSIVA PISCINA
Superfície útil col·lectors (m2)
P re u in s ta l·l a ci ó ( € )
2.2.4.4
REFRIGERACIÓ
La tecnologia de refrigeració amb energia solar actualment no esta gaire desenvolupada i de moment els costos són molt grans, però s'ha de tenir en compte que aquesta instal·lació ens donarà energia tèrmica en refrigeració a l'estiu i en calefacció a l'hivern:
Si coneixem els kw de calefacció i ACS requerits podem calcular el cost de la instal·lació completa de climatització aplicant la següent formula (deduïda a partir de dades d'instal·lacions completes subministrades per diferents empreses, aquestes dades consten a l'annex 1):
Cost de la instal·lació de climatització = 1988 · kw requerits + 3840 + 540 · A(m2)
2.2.4.5
COL·LECTORS
◦
COL·LECTORS PLANS
Dades de col·lectors subministrades per diferents empreses, aquestes dades consten a l'annex 1:
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 f(x) = 1988x + 3840
INSTAL·LACIÓ CLIMATITZACIÓ
Capacitat de refrigeració ( kw ) P re u in s ta l·l a ci ó ( € ) 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 0 200 400 600 800 1000 f(x) = 122,47x + 296,74COL·LECTORS PLANS
Superfície útil col·lector (m2)
P re u c o l·l e ct o r (€ )
◦
COL·LECTORS TUB DE BUIT HEAT PIPE
Dades de col·lectors subministrades per diferents empreses, aquestes dades consten a l'annex 1:
◦
COL·LECTORS PER PISCINA
Dades de col·lectors subministrades per diferents empreses, aquestes dades consten a l'annex 1: 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 0 1000 2000 3000 f(x) = 356,39x + 424,41
COL·LECTORS DE TUB DE BUIT
Superfície útil col·lector (m2)
P re u c o l·l e ct o u ( € ) 0 2 4 6 8 10 12 0 200 400 600 f(x) = 45,44x + 86,44
COL·LECTORS EXCLOSIUS PISCINA
Superfície útil col·lector (m2)
P re u c o l·l e ct o r ( € )
2.2.5
IMPACTE AMBIENTAL
L'energia solar que arriba a la terra equival a 10.000 vegades el consum mundial d'energia. Aquest astre és una gran estrella, capaç de fer arribar fins a nosaltres grans quantitats d'energia radiant. Es troba a una distancia d'uns 150 milions de km de la Terra i la radiació que emet tarda una mica més de vuit minuts en arribar al nostre planeta, a una velocitat de 300.000 km/s. Des del punt de vista quantitatiu es pot dir que només la meitat de la radiació solar arriba a la superfície de la Terra, la restant es perd per reflexió i absorció en l'atmosfera de la Terra.
La instal·lació solar tèrmica per escalfar aigua amb un col·lector d'aproximadament 2m per una família de quatre persones, evita, per any l'emissió de més d'una tona de CO2 a l'atmosfera i, a més, no contribueix a
l'efecte d'escalfament global, per no utilitzar combustibles fòssils. Per la seva part per la construcció dels sistemes solars s'han d'usar materials com coure, alumini, ferro, vidre i aïllants que poden produir efectes negatius en l'ambient durant la seva fabricació, no obstant, tots aquests processos son molt menys contaminants i perillosos que les fonts d'energia a partir de combustibles fòssils.
Pel que fa a l’energia solar tèrmica es poden considerar les següents equivalències per metre quadrat de captador en funció del combustible a substituir:
• 1 m2 de captador redueix 0,75 t CO2/any substituint electricitat.
• 1 m2 de captador redueix 0,22 t CO2/any substituint gasoil.
• 1 m2 de captador redueix 0,19 t CO2/any substituint gas butà o propà.
• 1 m2 de captador redueix 0,17 t CO2/any substituint gas natural
En el medi biològic no existeixen efectes significatius sobre la flora i la fauna, tot i que si que s’ha de parar atenció en aquelles instal·lacions que ocupen una gran extensió de terreny.
GEOTÈRMICA
2.3 GEOTÈRMICA...36 2.3.1 RESUM DE CARACTERÍSTIQUES TÈCNIQUES...37 2.3.2 INSTAL·LACIÓ NECESSÀRIA...40 2.3.2.1 CAPTADOR...41 CAPTADOR VERTICAL...41 CAPTADOR HORITZONTAL...42 INTERCANVI DE CALOR AMB AIGÜES SUPERFICIALS...42 2.3.2.2 BOMBA DE CALOR...43 2.3.2.3 DIPÒSIT ACUMULADOR D'INÈRCIA...43 2.3.3 REQUERIMENTS DE LA SITUACIÓ...43 2.3.3.1 TEMPERATURA DEL TERRENY...44 2.3.3.2 TIPUS DE TERRENY...44 2.3.4 COST/POTÈNCIA...45 2.3.4.1 CAPTADOR...46 HORITZONTAL...46 VERTICAL...46 BOMBA DE CALOR ...47 2.3.5 IMPACTE AMBIENTAL...47
2.3 GEOTÈRMICA
Aquesta font d'energia aprofita la calor existent de la capa superficial de la Terra, la calor prové del centre del planeta i del sol. La temperatura de la Terra es considera constant a partir de 10m de profunditat (a Espanya es considera +15ºC aprox. fins a 100m de profunditat).
Existeixen tres tipus d'energia geotèrmica:
• Geotèrmica d'alta temperatura (>150ºC), ofereix la possibilitat de generar energia elèctrica. • Geotèrmica de baixa temperatura (<90ºC), utilització directa del fluid que circula pel col·lector.
• Geotèrmica de molt baixa temperatura (<25ºC), amb col·lectors i sondes instal·lats a terra (profunditats de aproximadament 50 – 150m) necessiten una bomba de calor i poden subministrar edificis individuals o col·lectius.
En aquest estudi només s'hi inclou la geotèrmica de molt baixa temperatura que és l'única assequible per una vivenda.
Al provenir de la terra l'energia geotèrmica no depèn de la climatologia i subministra energia constant i suficient durant tot l'any permetent utilitzar-la a l'hivern per subministrar calor i a l'estiu fred a més del subministrament d'ACS durant tot l'any.
L'energia geotèrmica es pot obtenir per diferents sistemes:
• Camp col·lector: circulació d'aigua a una gran extensió, menys cost en la instal·lació però menor estabilitat de la temperatura i menys rendiment de la bomba de calor.
• Pou col·lector: circulació d'aigua en vertical en un o varis pous, requereix poc espai i proporciona una temperatura constant a qualsevol punt geogràfic.
• Aprofitament tèrmic d'un aqüífer: és beneficiós per qualsevol dels altres sistemes i permet la circulació de l'aigua de l'aqüífer com a fluid d'intercanvi.
2.3.1
RESUM DE CARACTERÍSTIQUES TÈCNIQUES
TIPUS D'ENERGIA
• GEOTÈRMICAAPLICACIONS
•
ACS, CALEFACCIÓ VIVENDA I CLIMATITZACIÓ: opcional a l'obligació d'implantar plaques solars tèrmiques. Inversió molt alta i bon rendiment. Viable econòmicament només amb aplicació conjunta. • CALEFACCIÓ PISCINA: poc recomanable si hi ha possibilitat d'instal·lació solar tèrmica.POTÈNCIA
3• Presenta el millor rendiment del consum per a climatització. La tecnologia més utilitzada, amb bomba de calor consumeix una quarta part de l'energia que proporciona. Subministrant qualsevol rang de potència amb suficients captadors:
◦ Captadors horitzontals: la superfície del terreny necessària és aproximadament de 1,5 m2 de
circuit per m2 d'habitatge que s'ha de climatitzar. Aquesta superfície ens proporciona energia per
ACS, calefacció i climatització.
◦ Captadors verticals: En un o diversos pous normalment es necessita una longitud de 100-130% metres de profunditat respecte als metres quadrats de superfície a climatitzar.
GENERADOR
• CAPTADOR HORITZONTAL: En comparació amb el vertical, més econòmic però menys eficient. • CAPTADOR VERTICAL: Molt alt cost d'inversió i molt bon rendiment.
• CAPTADORS D'AIGUA: Molt assequible però poc desenvolupat a Catalunya.
COSTOS
(Segons la mitjana de preus del mercat actual)
•
COST TOTAL / kw:
◦
CAPTADOR HORITZONTAL: 70 · superfície a climatitzar + 2264 · Potència requerida + 8018◦
CAPTADOR VERTICAL: 45 · superfície a climatitzar + 2264 · Potència requerida + 8018•
COST MANTENIMENT
:
Pràcticament nul.SUBVENCIONS
• La convocatòria 2011 serà similar (previsiblement amb menys pressupost) a la Convocatòria 2010: es subvenciona un 30% sobre un màxim de:
◦ Circuit obert: 500 €/kw
◦ Circuit tancat captador horitzontal: 1100 €/kw ◦ Circuit tancat captador vertical: 1400 €/kw
AMORTITZACIÓ (segons distribuïdors i vers sistema convencional)
•
ACS i Climatització: entre 4 i 10 anys.RECURSOS REQUERITS
• Tot i que no es requereix estudi geològic segons la composició del sol varia el rendiment del captador. El factor més favorable és l'existència d'aqüífers
• Connexió elèctrica per la bomba de calor.
• Sistema de calefacció de baixa temperatura (fancoils, terra radiant o radiadors sobredimensionats).
REQUERIMENTS EMPLAÇAMENT
Espai suficient pel captador tant horitzontal com vertical lliure d'obstacles amb les següents distàncies mínimes:
• Arbres: 0,5m des de la copa de l'arbre (nomes per captadors horitzontals). • Línies d'aigua potable, residuals o de pluja: 1,5m.
• Cimentacions d'edificis o altres instal·lacions (exceptuant la possibilitat d'instal·lar el captador dins dels fonaments): captadors horitzontals 1m i captadors verticals 2m.
En el cas dels captadors horitzontals la superfície no s'ha d'asfaltar ni posar-hi cap paviment. Es recomana recobrir-la de gespa o d'algun tipus de sorra. També es desaconsella la instal·lació en zones on el preu del terreny sigui alt, ja que no es pot construir sobre de la unitat d'intercanvi.
REQUEREIX SISTEMA ALTERNATIU
NoMODULABLE
Si, però és més aconsellable la instal·lació completa.
APROFITAMENT DE SISTEMES EXISTENTS
El sistema de distribució de calor és el mateix que en els sistemes convencionals de baixa temperatura.
CONDICIONAMENT DE L'ENTORN
CÀLCUL DE LA INSTAL·LACIÓ
•
ACS:
Segons el CTE: 30l/dia a 60ºC per habitatges unifamiliars i 22l/dia a 60ºC per a habitatges multifamiliars, i les següents persones per dormitori:E
ACS=r × Ce × Dm × DT
[
kJ
]
◦
E
ACS : Demanda energètica mensual d’ACS de la vivenda [kJ/mes].◦
r
: Densitat de l'aigua [es pot considerar de 1 kg/l.].◦
Ce
: Calor específic de l’aigua [4,187 J/ºC kg].◦
Dm
: Demanda mensual d'ACS [litres/mes].◦
DT
: Salt tèrmic entre la temperatura d’acumulació d’ACS (60ºC) i la temperatura de la xarxa d’aigua potable (Txarxa) que podem trobar a l'annex 2.•
CALEFACCIÓ:
Per poder fer una aproximació de la potència a instal·lar s'utilitzarà la següent taula per a edificacions típiques amb aïllament mitja-alt; elaborada per l'ICAEN basada en la Norma UNE-EN 12831 – Càlcul simplificat de la carga tèrmica total del edifici:Potència superfície nova = Potència requerida per vivenda taula · 135 / superfície nova
•
REFRIGERACIÓ:
No és necessari el càlcul ja que a la zona de Catalunya és més costosa la producció de calefacció i el dimensionament és sobre el mateix aparell.2.3.2
INSTAL·LACIÓ NECESSÀRIA
Existeixen vàries possibilitats per als circuits tèrmics, units per un intercanviador de calor, en una instal·lació geotèrmica, les més utilitzades són terra-aigua o terra-aire en les que un circuit d'aigua o aire circula per dintre la terra recollint o dissipant calor. Una altre possibilitat més remota és l'aprofitament aigua-aigua o aigua-aire en el que tenim un circuit pel que circulen aigües subterrànies i un per la distribució d'energia per l'edifici.
La idea bàsica consisteix en obtenir energia calorífica del subsol i transmetre-la, a traves de circuïts hidràulics i intercanviadors, a l’edifici. El mateix principi es pot utilitzar de manera inversa, traslladant la calor innecessària al subsol. La temperatura constant del terra ofereix les condicions optimes per fer funcionar, de forma integrada i en la seva totalitat, el sistema de calefacció, ACS i aire condicionat d’un edifici. Per a utilitzacions de l'energia geotèrmica de molt baixa temperatura és necessari utilitzar bombes de calor, aquestes tenen un rendiment molt alt en aquesta aplicació degut a les millors condicions del gradient de temperatura del subsol en comparació amb la temperatura ambiental. Amb el punt de vista energètic té un rendiment al voltant del 400%.
L'intercanvi de calor amb el terra es pot realitzar mitjançant dos sistemes:
• Directament de la bomba de calor: Quan l'intercanvi entre el terra i el condensador de la bomba de calor es realitza mitjançant un circuit tancat i enterrat, s’anomena un intercanvi directe. El circuit es un apèndix de la bomba de calor. Per a un habitatge es poden necessitar entre 100 i 150 metres quadrats de canonades. Els avantatges son el seu baix cost, la senzillesa, i el bon rendiment. En canvi, els inconvenients són la possibilitat de fugues de gas i la dificultat per trobar els elements especials necessaris. No s'utilitza per no poder garantir l'estabilitat.
• Circuit auxiliar independent de la bomba de calor o indirecte: Quan es disposa d'un conjunt de canonades enterrades, per les quals es fa circular l'aigua, que alhora intercanvia la calor amb el condensador, s’anomena un intercanvi mitjançant un circuit auxiliar independent de la bomba de calor. Els avantatges son el bon rendiment, la baixa pressió en el circuit i que evita grans diferencies de temperatura. En aquest tipus d'instal·lació els circuits poden ser: horitzontals o verticals.
L'intercanvi d'energia entre la bomba de calor i l'habitatge pot ser igualment directe o indirecte, per l'elaboració d'aquest estudi nomes es tindrà en compte els indirectes ja que els directes requereixen condicions massa restrictives. El sistema geotèrmic indirecte permet escollir qualsevol intercanviador amb l’habitatge, es a dir: convectors hidràulics d'aire fan-coils, terra o paret radiant o radiadors. Sent els “fan-coils” els únics amb capacitat d'escalfar i refredar. Els sostres o parets radiants refrigerants no donen bons resultats, necessiten un circuit molt sobredimensionat, per no haver de baixar la temperatura del fluid a temperatures que provoquin condensació i a més no donen bon rendiment.
En edificacions de nova construcció és possible instal·lar els col·lectors en el forjat de fonamentació tant en fonamentació per pilots com superficials. És molt poc utilitzat ja que no proporciona avantatges en el cost i normalment la superfície o profunditat dels fonaments no és suficient per l'intercanvi de calor necessari.
2.3.2.1
CAPTADOR
Els captadors geotèrmics consten d'un circuit hidràulic enterrat, en horitzontal o en vertical. Depenent del diàmetre de la perforació, el diàmetre dels tubs, el número de tubs (tipus U o doble U), el tipus de terreny, el número d’hores de funcionament anual, etc., obtenim unes característiques d’intercanvi diferent, i per tant un número de perforacions i superfície de terreny necessària particular per cada aplicació.
◦
CAPTADOR VERTICAL
En aquest sistema la canonada de captació esta enterrada en sentit vertical, amb forma de U o doble U, en un o diversos pous normalment una relació del 100-150% de metres de profunditat respecte als metres de superfície a climatitzar. Aquest tub es cobreix amb ciment d'alta conductivitat per maximitzar aquesta. Per a un habitatge de 100 m2 se solen necessitar uns 120 m de profunditat que pot estar compost per un sol pou o
més depenent de la naturalesa del sol. Requereix un espai mínim i proporciona una temperatura molt estable. És el sistema més utilitzat per la fiabilitat i bon rendiment en qualsevol punt.
Perforació per un circuit vertical (Font: Geotics Innova S.L.)
En el cas de conèixer la conductivitat (i per tant la productivitat) de la zona en que s'allotjarà la instal·lació la longitud del pou vertical es calcula amb els següents paràmetres:
